-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sammelschiene und eine elektrische Vorrichtung. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Sammelschiene für einen elektrischen Antrieb.
-
Stand der Technik
-
Sammelschienen bzw. Busbars bezeichnen eine Anordnung von elektrischen Leitungen, welche zum Verteilen von elektrische Energie dienen. Bei einem elektrischen Antrieb kann beispielsweise eine Energiequelle mit einem Zwischenkreiskondensator verbunden sein, welcher wiederum mittels einer Sammelschiene mit drei Leistungsmodulen gekoppelt ist, welche einen B6-Wechselrichter darstellen. Sammelschienen finden vielseitige Anwendung und können beispielsweise auch mit B12-Wechselrichter oder Multi-Level-Umrichtern verbunden werden.
-
Der Wechselrichter kann bereitgestellte Gleichspannung in Wechselspannung umwandeln. Beispielweise kann in Form eines Dreiphasensystems ein Antrieb mit einem Asynchron- oder Synchronmotor realisiert werden. Beim Bremsen kann Energie ins Netz zurückgespeist werden.
-
Zum Wandeln der Gleichspannung kann der Wechselrichter Halbbrücken mit Halbleiterschaltelementen und parallel geschalteten Freilaufdioden aufweisen. Bei geeigneter Ansteuerung der Halbbrücken wird die Gleichspannung in Wechselspannung umgewandelt.
-
Typischerweise bestehen die Sammelschienen aus zwei Kupferblechen, deren Gleichstromanschlüsse isoliert sind. Zum Isolieren der leitenden Koppelfläche können Polyimid-Folien, etwa von DuPont hergestellte Kapton-Folien, eingesetzt werden.
-
Neue Halbleitertechnologien auf Basis von Siliziumcarbid oder Galliumnitrid zeichnen sich durch hohe Schaltgeschwindigkeiten aus.
-
Weiter werden High-k-Dielektrika beschrieben in Dang et. al, „Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites", Progress in Materials Science 57, 4, Mai 2012, Seiten 660-723.
-
Durch die immer höheren Schaltgeschwindigkeiten der Halbleiterschaltelemente kommt es zu immer höherfrequent werdenden transienten Schwingungen mit dem Zwischenkreiskondensator und anderen, hauptsächlich parasitären Elementen wie Induktivitäten L und Kondensatoren C, welche sich über die Sammelschienen ausbreiten. Derartige Schwingungen sind unerwünscht, können jedoch nicht vollständig verhindert werden.
-
Eine Möglichkeit, hochfrequente Schwingungen zu unterdrücken, besteht in der Verwendung von RC-Gliedern, wie etwa aus der
US 2014/0126247 A1 bekannt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung stellt eine Sammelschiene mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine elektrische Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 bereit.
-
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Sammelschiene mit mindestens zwei elektrischen Leitungen und einer Isolierung, welche zwischen den elektrischen Leitungen ausgebildet ist. Die Isolierung weist ein High-k-Dielektrikum auf.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine elektrische Vorrichtung mit einer Spannungsquelle, welche dazu ausgebildet ist, elektrische Spannung bereitzustellen. Die elektrische Vorrichtung umfasst weiter einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter oder einen DC-DC-Wandler, welcher dazu ausgebildet ist, die elektrische Spannung umzuwandeln. Die elektrische Vorrichtung umfasst weiter eine Sammelschiene, welche die Spannungsquelle mit dem Stromrichter koppelt.
-
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die Leitungen der Sammelschiene werden durch eine Isolierung separiert, welche ein High-k-Dielektrikum umfasst. Unter einem High-k-Dielektrikum ist ein Material zu verstehen, welches eine höhere Dielektrizitätszahl aufweist als herkömmliches Siliziumdioxid, ε_r = 3,9, oder Siliziumoxinitride, ε_r = 6. Vorzugsweise ist die Dielektrizitätszahl der verwendeten High-k-Dielektrika somit größer als 3,9. Besonders bevorzugt ist die Dielektrizitätszahl der verwendeten High-k-Dielektrika sogar größer als 6.
-
Durch die Isolierung wird somit ein stark verlustbehafteter Kondensator im NanofaradBereich bereitgestellt, welcher durch seine geometrische Lage besonders niederinduktiv angebunden ist. Aufgrund der großen Permittivität der High-k-Dielektrika erfolgt somit eine gute Unterdrückung von hochfrequenten Schwingungen. Darüber hinaus ist der Kondensator thermisch gut angebunden.
-
Da eine Unterdrückung von hochfrequenten Beiträgen bereits durch die zwischen den elektrischen Leitungen ausgebildete Isolierung selbst erfolgt, kann auf zusätzliche Maßnahmen zur Unterdrückung hochfrequenter Anteile verzichtet werden. Insbesondere müssen keine zusätzlichen Bauelemente, wie etwa RC-Glieder, vorgesehen werden. Dadurch kann der Platzbedarf verringert werden. Bei elektrischen Antrieben im Automobilbereich spielen derartige Bauraumbeschränkungen eine große Rolle, sodass ein verringerter Platzbedarf sehr vorteilhaft ist.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sammelschiene umfasst die Isolierung eine Polymermatrix, wobei das High-k-Dielektrikum in die Polymermatrix eingebracht ist.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sammelschiene weist die Isolierung Polymermatrix-Verbundwerkstoffe auf. Das High-k-Dielektrikum ist demnach in eine Polymermatrix eingebettet. Beispielhafte Materialien sind aus der oben zitierten Druckschrift Dang et. al, „Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites“ bekannt. Besonders bevorzugt sind Materialien mit möglichst hohen Verlusten, um eine möglichst gute Dämpfung der hochfrequenten Anteile zu erzielen. Hierzu können beispielweise die Mischverhältnisse oder Körnungen der verwendeten Materialen derart gewählt werden, dass die Verluste groß werden.
-
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann die Isolierung eine Matrix aus Epoxid umfassen, welche mit Bariumtitanat BaTiO3 gefüllt ist.
-
Die das High-k-Dielektrikum enthaltende Polymermatrix kann in Form einer Folie ausgestaltet sein, welche zwischen den elektrischen Leitungen eingebracht ist. Die Isolierung umfasst demnach eine derartige Folie.
-
Beispielsweise kann das High-k-Dielektrikum Materialien wie Al2O3 oder Ta2O5 umfassen. Das High-k-Dielektrikum kann weiter Übergangsmetalle, etwa HfO2, ZrO2, und/oder Mischoxide, wie etwa Hafniumsilicat oder Zirconiumsilicat, aufweisen. Weitere Beispiele sind kristalline Oxide von seltenen Erden, etwa Pr2O3, Gd2O3 und Y2O3.
-
Das High-k-Dielektrikum kann mittels bekannter Verfahren bereitgestellt werden. Beispielsweise können die elektrischen Leitungen mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, PVD, und/oder chemischer Gasphasenabscheidung, CVD, mit Schichten derartiger High-k-Dielektrika beschichtet werden. Dünne Schichten von High-k-Dielektrika können auch durch Atomlagenabscheidung erzeugt werden.
-
Gemäß einigen Ausführungsformen weist die Isolierung zwischen den elektrischen Leitungen eine oder mehrere derartige Schichten von High-k-Dielektrika auf.
-
Das High-k-Dielektrikum kann sich weiter durch einen hohen Verlustwinkel auszeichnen, welcher zu einer besseren Unterdrückung von hochfrequenten Schwingungen beiträgt.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sammelschiene ist eine Dielektrizitätszahl des High-k-Dielektrikums größer als 3,9. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Dielektrizitätszahl größer als 7, 9, 10, 20, 30 oder 50 sein.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sammelschiene ist zwischen der Isolierung und den elektrischen Leitungen mindestens eine hochpermeable Schicht ausgebildet. Vorzugsweise kontaktiert die hochpermeable Schicht einerseits die elektrischen Leitungen und andererseits die zwischen den elektrischen Leitungen ausgebildete Isolierung.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Isolierung und den elektrischen Leitungen mindestens eine Schicht aus einem schlecht elektrisch leitenden Material ausgebildet, etwa aus Edelstahl oder anderen schlecht leitenden und im Wesentlichen nichtmagnetischen Materialien.
-
Hochfrequente Schwingungen werden sich nicht in den elektrischen Leitungen selbst ausbilden, sondern vielmehr innerhalb der dünnen hochpermeablen Schicht. Die Ausbreitung von hochfrequenten Schwingungen ist durch den Skin-Effekt beeinflusst. Darunter ist zu verstehen, dass die Stromdichte im Inneren eines Leiters niedriger ist als in äußeren Bereichen. Die in den Leiter eindringenden Wechselfelder werden somit aufgrund der hohen Leitfähigkeit des Materials schon bereits vor dem Eindringen in das Leiterinnere gedämpft. Die Eindringtiefe ist umso geringer, je höher die Frequenz der Schwingung ist. Unter der Eindringtiefe wird diejenige Tiefe verstanden, bei welcher die Amplitude der eingedrungenen Schwingungen auf einen Bruchteil von 1/e gefallen ist. Für Kupferleitungen beträgt die Eindringtiefe bei einer Frequenz von 5 Hertz beispielsweise 29,7 Millimeter, für eine Frequenz von 500 Kilohertz 93,8 Mikrometer und bei einer Frequenz von 500 Gigahertz lediglich 93,8 Nanometer. Durch Verwendung einer dünnen hochpermeablen Schicht können die hochfrequenten Anteile somit wirksam unterdrückt werden.
-
In der hochpermeablen Schicht fallen hohe Verluste an, sodass die Hochfrequenzanteile wirksam unterdrückt werden. Die Gleichstrom-Verluste werden jedoch durch die hochpermeable Schicht kaum oder gar nicht beeinflusst.
-
Aufgrund der geringen Dicke zeigt die hochpermeable Schicht nur wenig zum Platzverbrauch der Sammelschiene bei. In Kombination mit dem High-k-Dielektrikum kann somit eine besonders kompakte Sammelschiene bereitgestellt werden, welche hochfrequente Anteile, welche etwa beim Schalten von Wechselrichtern auftreten können, effizient unterdrückt.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sammelschiene umfasst die hochpermeable Schicht ein Mu-Metall. Unter einem Mu-Metall ist eine weichmagnetische Nickel-EisenLegierung mit etwa 72 bis 80 Prozent Nickel-Anteil sowie weiteren Anteilen von Kupfer, Molybdän, Kobalt oder Chrom zu verstehen. Die Permeabilität beträgt vorzugsweise mindestens 50.000 und besonders bevorzugt mindestens 100.000.
-
Unter einer hochpermeablen Schicht kann gemäß einer Ausführungsform verstanden werden, dass die magnetische Permeabilität einen Wert größer als 50.000 aufweist.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sammelschiene ist die hochpermeable Schicht auf die Isolierung aufgedampft und/oder auf die elektrischen Leitungen aufgedampft.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sammelschiene ist eine Dicke der hochpermeablen Schicht kleiner als 100 Mikrometer und bevorzugt kleiner als 10 Mikrometer.
-
Figurenliste
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Sammelschiene gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 2 ein schematisches Blockdiagramm einer elektrischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Sammelschiene 1. Die Sammelschiene 1 kann insbesondere zum Verbinden eines Zwischenkreiskondensators mit Leistungsmodulen eines Stromrichters, etwa eines Wechselrichters, vorgesehen sein, insbesondere für einen elektrischen Antrieb für ein Fahrzeug.
-
Die Sammelschiene 1 weist eine erste elektrische Leitung 2 und eine zweite elektrische Leitung 3 auf, welche einerseits mit den jeweiligen Anschlüssen des Zwischenkreiskondensators und andererseits mit den jeweiligen Anschlüssen des Stromrichters verbunden sind.
-
Die Erfindung ist jedoch nicht auf Sammelschienen 1 für Stromrichter beschränkt, sondern ist in vielfältigen technischen Anwendungsbereichen einsetzbar. Im Allgemeinen ist die Sammelschiene 1 für Verbindungen von Energiequellen und elektrischen Verbrauchern vorgesehen, wobei an mindestens einer Seite unerwünschte hochfrequente Schwingungen auftreten können. Insbesondere ist die Sammelschiene 1 somit zur Ankopplung von elektrischen Geräten oder elektrischen Systemen mit Bauteilen mit hohen Schaltgeschwindigkeiten vorteilhaft.
-
Die erste elektrische Leitung 2 und die zweite elektrische Leitung 3 weisen jeweils einen L-förmigen Querschnitt auf. Ein Schenkel der ersten elektrischen Leitung 2 ist von einem Schenkel der zweiten elektrischen Leitung 3 durch eine Isolierung 4 getrennt. Weiter ist zwischen der Isolierung 4 und dem jeweiligen Schenkel der ersten elektrischen Leitung 2 bzw. zweiten elektrischen Leitung 3 eine hochpermeable Schicht 5, 6 ausgebildet.
-
Die Erfindung ist nicht auf L-förmige Leiter beschränkt, sondern auf Leitungen 3, 4 mit beliebigen Querschnitten anwendbar. Weiter können mehr als zwei Leitungen vorgesehen sein, welche durch eine gemeinsame Isolierung oder auch eine Vielzahl von Isolierungen von einander getrennt sein können.
-
Zwischen den verbleibenden Schenkeln der ersten elektrischen Leitung 2 und der zweiten elektrischen Leitung 3 sind ein Kondensator-Stack 8 und eine Stack-Isolierung 7 angeordnet. Der Kondensator-Stack 8 weist eine Kapazität im Mikrofaradbereich auf.
-
Die Isolierung 4 umfasst ein High-k-Dielektrikum, etwa ein mit Bariumtitanat gefülltes Epoxid und/oder eine hoch-permittive Folie. Die hoch-permittive Folie kann einen oder mehrere Polymermatrix-Verbundwerkstoffe aufweisen. Beispielsweise kann die Isolierung mindestens eines der Materialien umfassen, die in Dang et. al, „Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites“ beschrieben sind.
-
Die Isolierung 4 zwischen den Schenkeln der ersten elektrischen Leitung 2 und der zweiten elektrischen Leitung 3 bildet einen Kondensator im Picofarad- oder Nanofaradbereich.
-
Die hochpermeablen Schichten 5, 6 können beispielsweise ein Mu-Metall umfassen. Durch den Skin-Effekt werden hochfrequente Anteile in die sehr dünne hochpermeable Schicht 5, 6 verdrängt. Dort fallen relativ hohe Verluste an, welche die hochfrequenten Anteile unterdrücken. Gleichzeitig werden die Gleichstrom-Verluste jedoch nicht erhöht.
-
Die Permeabilität der hochpermeablen Schichten 5, 6 kann beispielsweise einen Wert von mehr als 50.000 aufweisen.
-
Die hochpermeable Schichten 5, 6 können durch Abscheidung auf der Isolierung 4 oder auf den elektrischen Leitungen 2, 3 ausgebildet werden.
-
In 2 ist ein schematisches Blockdiagramm einer elektrischen Vorrichtung 10 illustriert. Bei der elektrischen Vorrichtung 10 kann es sich um einen elektrischen Antrieb oder eine Komponente für einen elektrischen Antrieb handeln. Insbesondere kann die elektrische Vorrichtung 10 ein elektrischer Antrieb für ein Kraftfahrzeug oder eine Komponente eines derartigen elektrischen Antriebs sein.
-
Die elektrische Vorrichtung 10 weist eine Gleichspannungsquelle 11 auf, welche Gleichspannung bereitstellt.
-
Die elektrische Vorrichtung 10 weist weiter einen Stromrichter 12 auf, etwa einen Wechselrichter, welcher Gleichspannung in Wechselspannung wandelt. Bei dem Stromrichter 12 kann es sich auch um einen DC-DC-Wandler handeln. Die gewandelte Spannung kann zum Betreiben einer elektrischen Maschine, etwa einer Drehstrommaschine eingesetzt werden.
-
Die Spannungsquelle 11 und die elektrische Vorrichtung 10 sind mittels einer Sammelschiene 1 miteinander verbunden. Die Sammelschiene 1 kann einer der oben beschriebenen Ausführungsformen entsprechen.
-
Zusätzlich kann zwischen der Spannungsquelle 1 und dem Stromrichter 12 ein Zwischenkreiskondensator vorgesehen sein, wobei die Sammelschiene 1 den Zwischenkreiskondensator mit dem Stromrichter 12 verbindet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2014/0126247 A1 [0009]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Dang et. al, „Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites“, Progress in Materials Science 57, 4, Mai 2012, Seiten 660-723 [0007]
